(57)【要約】【課題】  カラーシェーディングを改善するための技術を提供する。【解決手段】  まず、本発明の撮像装置は、撮像領域およびレンズアレイを備える。この撮像領域では、扁平形の受光域を有する受光素子を画素単位に面配列し、受光素子ごとの光電変換によって画像信号を生成する。一方、レンズアレイは、受光素子に対して入射光を集光するマイクロレンズを面配列したものである。この撮像領域の周辺部では、受光域の短軸方向に対向する外縁の内、撮像領域の中央から遠い外縁が、中央に近い外縁よりも、マイクロレンズの集光分布が暗く設定される。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
扁平形の受光域を有する受光素子を画素単位に面配列し、前記受光素子ごとの光電変換によって画像信号を生成する撮像領域と、
前記受光素子に対して入射光を集光するマイクロレンズを面配列したレンズアレイとを備え、
前記受光域の短軸方向における前記マイクロレンズのピッチは、長軸方向におけるマイクロレンズのピッチよりも短い
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
扁平形の受光域を有する受光素子を画素単位に面配列し、前記受光素子ごとの光電変換によって画像信号を生成する撮像領域と、
前記受光素子に対して入射光を集光するマイクロレンズを面配列したレンズアレイとを備え、
前記撮像領域の周辺部では、前記受光域に対して前記マイクロレンズを前記撮像領域の中央方向へずらして配置し、
前記マイクロレンズのずらし幅は、前記受光域の長軸方向よりも短軸方向の方が大きい
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
扁平形の受光域を有する受光素子を画素単位に面配列し、前記受光素子ごとの光電変換によって画像信号を生成する撮像領域と、
前記受光素子に対して入射光を集光するマイクロレンズを面配列したレンズアレイとを備え、
前記撮像領域の周辺部では、前記受光域の短軸方向に対向する外縁の内、前記撮像領域の中央から遠い前記外縁が、前記中央に近い前記外縁よりも、前記マイクロレンズの集光分布が暗い
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記撮像領域への入射光を色分解するカラーフィルタを面配列したカラーフィルタアレイを備え、
前記マイクロレンズから前記受光域へ至る光路上に前記カラーフィルタを配置する
ことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズを備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、撮像装置の画素単位にマイクロレンズを配置し、入射光を各画素の受光域に集光するものが知られている。このようなマイクロレンズの配置により、各画素の受光効率を高めることが可能になる。
ところで、撮像領域の周辺付近では、撮影レンズ（テレセントリック光学系などの特殊な光学系を除く）を通過した光が斜め向きに入射する。そのため、周辺部の画素ではケラレなどが発生し、画像信号には周辺部が暗くなる輝度シェーディングが発生する。
【０００３】
そこで、撮像領域の中央から離れるに従って、画素配列のピッチよりも小さなピッチでマイクロレンズをずらし配置するものが知られている（特許文献１など）。このずらし配置により、斜め入射光を各画素の受光域中央に集光することが可能になる。その結果、周辺部における受光効率が上がり、画像信号の輝度シェーディングを改善することが可能になる。
【特許文献１】特開平１−２１３０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、撮像装置にはカラーシェーディングという現象も生じる。このカラーシェーディングは、撮像領域の周辺に近づくに従って、画像信号のカラーバランスが変化し、画面周辺に色の偏りを生じる現象である。
【０００５】
図１０は、従来のマイクロレンズずらしを施した従来装置に対し均一な白色光源を投影し、画像信号のカラーシェーディングを実測したデータである。
この図１０では、Ｒ信号のカラーシェーディングを、下記の評価値Ｓ（Ｒ）で数値化している。
Ｓ（Ｒ）＝［（ＶＲＬ／ＶＧＬ）−（ＶＲＣ／ＶＧＣ）］／（ＶＲＣ／ＶＧＣ）
…［１］
（ただし、撮像領域の中央画素のＧ値をＶＧＣ、Ｒ値をＶＲＣとする。一方、撮像領域の周辺画素のＧ値をＶＧＬ、Ｒ値をＶＲＬとする。）
このケースでは、横長画面の左右端についてはカラーシェーディングの抑制に一定の効果が見られる。しかし、画面の上下端では、カラーシェーディングが顕著に発生している。
【０００６】
このように、特許文献１のマイクロレンズずらしでは、画面の一方向についてはカラーシェーディング抑制に一定の効果が得られるものの、他方向のカラーシェーディングについては補正が不十分になる。
ちなみに、一般的な考えでは、画面中心に近い上下端の方が、左右端よりも入射光の傾きが小さいなど画素の受光条件に優れるため、カラーシェーディングに有利と思われる。しかしながら、上述した図１０は、逆の結果を示しており、この原因を説明することができなかった。
【０００７】
本発明は、上述した問題点に鑑みて、カラーシェーディングを良好に改善するための技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
まず、本発明の撮像装置に共通する構造は、撮像領域およびレンズアレイを備える点である。この撮像領域では、扁平形の受光域を有する受光素子を画素単位に面配列し、受光素子ごとの光電変換によって画像信号を生成する。一方、レンズアレイは、受光素子に対して入射光を集光するマイクロレンズを面配列したものである。
【０００９】
《１》  第１の発明では、受光域の短軸方向におけるマイクロレンズのピッチを、長軸方向におけるマイクロレンズのピッチよりも短くする。
【００１０】
《２》  第２の発明では、撮像領域の少なくとも周辺部において、受光域に対して、マイクロレンズを撮像領域の中央方向へずらして配置する。この場合に、マイクロレンズのずらし幅を、受光域の長軸方向よりも短軸方向の方が大きくなるようにする。
【００１１】
《３》  第３の発明では、撮像領域の少なくとも周辺部では、受光域の短軸方向に対向する外縁の内、撮像領域の中央から遠い外縁が、中央に近い外縁よりも、マイクロレンズの集光分布が暗いことを特徴とする。
【００１２】
《４》  なお好ましくは、撮像領域への入射光を色分解するカラーフィルタを面配列したカラーフィルタアレイを備える。このカラーフィルタは、マイクロレンズから受光域へ至る光路上に配置される。
【発明の効果】
【００１３】
撮像装置の画素ごとの受光域は、正方形や円形などの一部のケースを除き、少なからず扁平した形状となる。本発明者は、この扁平形状の短軸方向と、カラーシェーディングの発生方向とが一致することに気が付いた。そこで、本発明者は、扁平形の長軸方向と短軸方向のそれぞれについてマイクロレンズの配置または形状を適正化することを検討し、カラーシェーディングを良好に補正することに成功した。
具体的には、本発明者は、次の（１）〜（３）のいずれかの条件によって、撮像装置のカラーシェーディングが改善できることを突き止めた。
【００１４】
（１）従来、長軸方向と短軸方向でほぼ等しかったマイクロレンズのピッチを意図的に変更する。具体的には、短軸方向におけるマイクロレンズのピッチを、長軸方向におけるマイクロレンズのピッチよりも実質的に短くする。実験（後述）によれば、この新規構成によって、カラーシェーディングを改善できることが実証されている。
【００１５】
（２）従来、長軸方向と短軸方向でほぼ等しかったマイクロレンズのずらし幅を意図的に変更する。具体的には、短軸方向におけるマイクロレンズのずらし幅を、長軸方向におけるマイクロレンズのずらし幅よりも実質的に大きくする。実験（後述）によれば、この新規構成によって、カラーシェーディングを改善できることが実証されている。
【００１６】
（３）従来、マイクロレンズの集光中心は、画素内の受光域の中央に位置するように設定されていた。特許文献１のずらし配置も、撮像領域の周辺部において、マイクロレンズの集光中心を受光域中央に略一致させることが目的であった。この場合、受光域中央をピークとする集光分布により、受光域の対向する外縁の明るさはほぼ等しいものとなる。この従来のバランスを意図的に崩す。具体的には、短軸方向に対向する外縁の内、撮像領域の外寄りの外縁を、撮像領域の中央寄りの外縁よりも実質的に暗い集光分布に設定する。このような新規構成によって、カラーシェーディングやクロストークを改善することが可能になる。
【００１７】
なお、上述した短軸方向と長軸方向に対するマイクロレンズの配置差や形状差は、無制限に行うものではない。受光素子に対して入射光を集光するというマイクロレンズ本来の機能を維持する範囲に限定して実施されることは勿論である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
《画素構造の説明》
図１は、撮像装置１１の画素断面を示す図である。
最初に、図１を用いて、撮像装置１１の一般的な画素構造について説明する。
撮像装置１１の撮像領域には、扁平形（ここでは撮像面上方から見て長方形）の受光域１２を有する受光素子１２ａが、所定の画素ピッチで面配列される。これら受光域１２の上層には、レンズアレイ１３ａが配置される。レンズアレイ１３ａは、個々の受光素子１２ａに対して入射光を集光するマイクロレンズ１３を面配列して構成される。
【００１９】
マイクロレンズ１３と受光素子１２ａとの間には、カラーフィルタアレイ１５の層が配置される。このカラーフィルタアレイ１５は、ＲＧＢベイヤ配列のカラーフィルタ１４を、マイクロレンズ１３と受光域１２とを結ぶ光路上に配置したものである。
なお、隣接する受光域１２の間には、遮光膜１６などが設けられる。この遮光膜１６の下には、受光素子１２ａから信号を読み出すための転送回路（不図示）や回路素子（不図示）などが形成される。
【００２０】
《マイクロレンズ１３の特性条件》
本実施形態は、次の条件１〜３のいずれかを少なくとも満足するように、マイクロレンズ１３の配置や形状を設計する。なお、条件１〜３の実現は、受光域１２に光を集光するというマイクロレンズ１３本来の機能を維持する範囲で、調整的に実施される。
【００２１】
［条件１］
図２に示すように、短軸方向のレンズピッチＬｂを、長軸方向のレンズピッチＬａよりも短く設定する。
（短軸方向のレンズピッチＬｂ）＜（長軸方向のレンズピッチＬａ）  …［２］
なお、長軸方向の画素ピッチＲａと短軸方向の画素ピッチＲｂとが異なる場合には、この関係は、下記のスケーリング値の関係によって規定することができる。
（短軸方向のスケーリング値Ｌｂ／Ｒｂ）＜（長軸方向のスケーリング値Ｌａ／Ｒａ）
…［３］
ちなみに、撮像領域の全域においてマイクロレンズ１３が長軸方向・短軸方向で独立に一定ピッチに配置される場合には、この条件１を満足するように設計することが好ましい。
【００２２】
［条件２］
条件２では、撮像領域の少なくとも周辺部において、受光域１２に対するマイクロレンズ１３のずらし幅を、短軸方向が長軸方向よりも大きくなるように設定する。
まず、図３に示すように、撮像領域の中心から長軸方向にＫａだけ離れた周辺画素において、長軸方向のずらし幅をＺａとする。一方、撮像領域の中心から短軸方向にＫｂだけ離れた周辺画素において、短軸方向のずらし幅をＺｂとする。
このとき、Ｋａ≒Ｋｂの場合には、下式を満たすようにレンズ配列を設定する。
（短軸方向のずらし幅Ｚｂ）＞（長軸方向のずらし幅Ｚａ）  …［４］
なお、Ｋａ≠Ｋｂの一般的な場合には、この関係は、下記の正規化された条件によって規定することができる。
（短軸方向のずらし幅Ｚｂ／Ｋｂ）＞（長軸方向のずらし幅Ｚａ／Ｋａ）  …［５］
この条件２は、条件１よりも一般的な条件である。したがって、撮像領域内においてマイクロレンズ１３のピッチを変化させるようなケースにも適用可能な条件である。
【００２３】
［条件３］
従来のマイクロレンズずらしでは、周辺部の斜め入射光がマイクロレンズ１３を介して、受光域１２の中央に集光分布するように、マイクロレンズ１３のずらし幅を決定していた。その結果、図４［Ａ］に示すように、受光域１２の中心に対してほぼ点対称に光が分布する。この場合、受光域１２の対向する外縁は、ほぼ同等の明るさとなる。
条件３では、この外縁の明るさバランスを短軸方向について意図的にずらす。すなわち、短軸方向において撮像領域の外寄りの外縁を、中央寄りの外縁よりも暗い集光分布に設定する。
このような条件３の設定は、上述したマイクロレンズ１３の短軸方向のずらし配置や、マイクロレンズ１３のレンズ形状を短軸方向に偏らせるなどによって実現することができる。
【００２４】
《マイクロレンズ１３の設計例について》
次に、マイクロレンズ１３の具体的な設計例について、具体的な実験データをあげて説明する。
ここでは、次の条件の撮像装置１１について設計する。
（１）受光域１２は、縦横比１：１．７程度の長方形状
（２）画素ピッチは縦横に等しい。
【００２５】
図５〜図７は、マイクロレンズ１３のスケーリング値を変更しながら、受光域１２のカラーシェーディングＳ（Ｒ）を実測したデータである。図中の［Ａ］には、長軸方向のカラーシェーディングＳ（Ｒ）を示す。図中の［Ｂ］には、短軸方向のカラーシェーディングＳ（Ｒ）を示す。
【００２６】
なお、図５〜図７は、マイクロレンズ１３のレンズ形状が異なるが、その他の測定条件は等しく、次の通りである。
光源：色温度５１００Ｋの白色光源
使用レンズ：ＡｉＮｉｋｋｏｒ５０ｍｍｆ１．４
使用ｆ値：５．６
【００２７】
このように求めたカラーシェーディングＳ（Ｒ）の実測データを、長軸方向および短軸方向それぞれについて２次関数で近似する。すると、スケーリング値の変更に応じて、２次関数の２次係数が顕著に変化することがわかる。このことから、カラーシェーディングＳ（Ｒ）の色変化の内、２次項に該当する成分をマイクロレンズ１３のずらし配置によって補正できることが分かる。この場合、２次係数をゼロにすることによって、カラーシェーディングを最小化することができる。
【００２８】
図８は、このような観点から、スケーリング値と、そのスケーリング値における２次係数とをプロットしたデータである。図８［Ａ］は、長軸方向について示したデータである。このデータから、長軸方向における適正なスケーリング値は０．９９９９４程度となる。一方、図８［Ｂ］は、短軸方向について示したデータである。このデータを外延することにより、適正なスケーリング値は０．９９９８５程度と推測できる。
【００２９】
以上の実験から、マイクロレンズ１３について次の設計データが得られる。
マイクロレンズ１３の長軸方向のスケーリング値：０．９９９９４
マイクロレンズ１３の短軸方向のスケーリング値：０．９９９８５
【００３０】
このスケーリング値に基づいて、マイクロレンズ１３（レンズアレイ１３ａ）を形成することにより、画面全域にわたってカラーシェーディングを良好に補正することが可能になる。その結果、図１０で示したような画面上下のみにカラーシェーディングが生じるといった現象を改善することが可能になる。
【００３１】
さらに、カラーフィルタ１４については、このマイクロレンズ１３と受光域１２とを結ぶ光路上に改めて配置設定することが好ましい。例えば、マイクロレンズ１３のスケーリング値に基づいて、カラーフィルタ１４のスケーリング値を次のように設定すればよい。
カラーフィルタ１４の長軸方向のスケーリング値：０．９９９９７
カラーフィルタ１４の短軸方向のスケーリング値：０．９９９９２５
なお、ここでのマイクロレンズ１３の設計データは、上述した条件１〜３をいずれも満足する。
【００３２】
《本実施形態の仮説説明》
以下、上述したカラーシェーディングの補正原理について仮説説明を試みる。
【００３３】
［カラーシェーディングの発生原因］
ここでは、短軸方向に生じるカラーシェーディングの主原因を、受光域１２の外縁から遮光膜１６（配線層など光を伝搬する層全般を含む）に潜り込む迷光と推測する。
この迷光が隣接画素に到達して、異なる色成分として光電変換されることにより、異色クロストークが発生する。
この異色クロストークが全ての色信号について均一に発生すれば、色バランスは変化せず、カラーシェーディングは発生しない。
しかし、カラーフィルタ１４では、Ｇフィルタの透過率が、ＲＢフィルタの透過率よりも高い。デジタルカメラなどでは、赤外カットフィルタを挿入することが多く、その傾向が更に強くなる。そのため、ＲＢ画素に混入するＧ迷光の方が、Ｇ画素に混入するＲＢ迷光よりも明るく、迷光によるクロストークは、ＲＢ信号を強める方向に働きやすい。
その結果、迷光の発生領域では、色バランスが変化して、カラーシェーディングが発生する。
【００３４】
［カラーシェーディングの方向性の原因］
続いて、図１０に示したようなカラーシェーディングの方向性と、受光域１２の形状との関係について説明する。
まず、受光域１２は、扁平形である。そのため、図４［Ａ］に示すように、短軸方向に対向する外縁は、マイクロレンズ１３の集光中心から比較的近く、明るくなる。一方、長軸方向に対向する外縁は、マイクロレンズ１３の集光中心から比較的遠くなり、暗くなる。そのため、外縁の明るい短軸方向に迷光が強く発生する。そのため、受光域１２の短軸方向には、長軸方向よりもカラーシェーディングが発生しやすくなる。
【００３５】
［短軸方向のカラーシェーディング対策］
次に、上述した仮説に基づいて、短軸方向のカラーシェーディング対策を考える。
図９［Ａ］に示すように、撮像領域の周辺部には、撮像領域の外側に向かって傾いた斜め入射光が到来する。この入射光の向きにより、この撮像領域の外側に向かって迷光が発生しやすくなる。
【００３６】
そこで、図４［Ｂ］に示すように、受光域１２の集光分布を短軸方向に沿って、撮像領域の中心線寄りに偏らせる。これによって、短軸方向に対向する外縁の内、外寄りの外縁が暗くなる。そのため、この外寄りの外縁で発生する迷光が少なくなり、クロストーク発生が抑制できる。
【００３７】
ところで、集光分布を単純にずらした場合には、図４［Ｂ］に示すように、外寄りの外縁が暗くなった代わりに、中央寄りの外縁が明るくなる。しかし、図９［Ｂ］に示すように、中央寄りの外縁は、潜り込みにくい向きに斜入射光が当たるため、迷光はさほど増えない。そのため、これによるクロストークおよびカラーシェーディングの弊害は小さい。
【００３８】
もちろん、受光域１２に対して集光分布を偏らせ過ぎた場合には、短軸方向に輝度シェーディングが顕著に現れてしまう。したがって、輝度シェーディングとカラーシェーディングとのバランスを取った範囲内で、集光分布を偏らせることが好ましい。
【００３９】
以上のカラーシェーディング対策は、本実施形態の条件１〜３と結果において一致する。なお、本実施形態の条件１〜３は、マイクロレンズ１３のずらし配置や形状設計の試行実験から、発見的に得た条件である。そのため、ここで述べた仮説の当否にかかわらず、本実施形態の条件１〜３は、カラーシェーディングの補正に対して有効である。
【００４０】
《実施形態の補足事項》
なお、本実施形態は、撮像装置１１の読み出し構造に限定されない。例えば、撮像装置１１には、ＣＭＯＳ方式などのＸＹアドレス読み出し方式、ＣＣＤ方式、また画素単位に増幅素子を備えた読み出し構造などを採用することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、長方形の受光域１２について説明した。しかしながら、実施形態は、扁平形の受光域１２であればよい。例えば、楕円形や扁平十字形やＴ字形その他の受光域１２でもよい。
【００４２】
なお、本実施形態では、受光域１２の長軸方向と短軸方向とが直交するケースについて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。受光域１２の形状によっては、長軸方向と短軸方向とが直交しないケースもある。
【００４３】
また、本実施形態では、縦横マトリクスに画素配列を行うケースについて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態の条件１〜３はハニカム配列その他の画素配列にも適用可能である。
【００４４】
なお、本実施形態では、ＲＧＢベイヤ配列のカラーフィルタアレイ１５について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。
【００４５】
また、本実施形態では、受光域１２の短軸方向が、撮像領域の短辺方向に一致するケースについて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、一般的なインタライン型ＣＣＤ撮像素子では、画素の縦列単位に垂直ＣＣＤを備えるため、画素の受光域は縦長形状となる。この場合、受光域の短軸方向は、撮像領域の長辺方向と一致する。
【００４６】
なお、本実施形態の設計例では、ＲＧ間のカラーシェーディングＳ（Ｒ）を用いた。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、ＢＧ間のカラーシェーディングＳ（Ｂ）を用いて設計を行ってもよい。また例えば、マイクロレンズ１３の光学シミュレーションで検証することによって、条件１〜３のいずれかを満足する設計を行うことも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上説明したように、本発明は、マイクロレンズを備えた撮像装置などに利用可能な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】撮像装置１１の画素断面を示す図である。
【図２】マイクロレンズ１３の条件１を説明する図である。
【図３】マイクロレンズ１３の条件２を説明する図である。
【図４】マイクロレンズ１３の条件３を説明する図である。
【図５】カラーシェーディングの実測データを示す図である。
【図６】カラーシェーディングの実測データを示す図である。
【図７】カラーシェーディングの実測データを示す図である。
【図８】スケーリング値と、カラーシェーディングの２次係数とをプロットしたデータである。
【図９】迷光によるクロストークを説明する図である。
【図１０】従来のカラーシェーディングの実験データである。
【符号の説明】
【００４９】
１１…撮像装置，１２…受光域，１２ａ…受光素子，１３…マイクロレンズ，１３ａ…レンズアレイ，１４…カラーフィルタ，１５…カラーフィルタアレイ，１６…遮光膜
【図１】
2006344880.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006344880.tif 000011
【図１０】
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